KR100403385B1 - 여굴 생성 방지를 위한 터널 굴착방법 - Google Patents

Abstract

터널 주변부의 장약공을 변형하여 여굴 생성을 최소화하기 위한 여굴 생성 방지를 위한 터널 굴착방법은 터널의 중심부에 소정 개수의 내부 장약공을 천공하는 단계, 터널의 주변부에 계획굴착면을 향하도록 경사진 다수의 외곽 장약공을 천공하는 단계, 및 상기 내부 장약공 및 상기 외곽 장약공에 폭약을 장전하여 발파하는 단계를 포함한다. 이때, 다수의 외곽 장약공은 천공 입구가 계획굴착면에 가까울수록 계획굴착면과의 경사각도가 작아지도록 천공된다.

Description

여굴 생성 방지를 위한 터널 굴착방법{METHOD OF EXCAVATING TUNNEL WITHOUT EXCEEDING BOUNDARY}

본 발명은 터널 굴착방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터널 주변부의장약공을 변형하여 여굴 생성을 최소화하기 위한 여굴 생성 방지를 위한 터널 굴착방법에 관한 것이다.

일반적으로, 암반 등에 터널을 굴착하기 위해서는 폭약을 발파하는 방식을 많이 사용하는데, 이러한 발파 방식에는 심발발파와 제어발파가 있다.

심발발파는 지하공동굴착이나 암반사면 굴착에서 자유면을 증가시킬 목적으로 최초에 실시하는 발파방법으로서, 국내에서는 브이커트(V-cut)와 번커트(Burn Cut) 공법이 많이 사용된다.

번커트 공법은 터널의 중심부에 무장약공을 천공하고 그 주위에 심발 장약공을 천공한 후, 심발 장약공에 장전된 폭약의 폭발력이 중심의 무장약공을 향하도록 하여 굴착면을 형성한다.

브이커트 공법은 현재 국내에서 가장 널리 사용되는 방법으로서, 일자유면에 대하여 심발 장약공을 통상적으로 60~70도의 각도를 갖도록 천공한 후 폭약을 장약하여 폭발시키는 방법을 사용한다.

그러나, 이러한 번커트 및 브이커트 공법은 심발 장약공의 폭발력을 터널의 중심으로 향하게 하는 데에는 효과적이지만, 터널의 주변부에 대해서는 정밀한 폭발력을 제공하지 못한다. 그런데, 만약 터널 주변부에 가해지는 폭발력이 필요치보다 적을 경우, 충분한 터널 공간을 확보하지 못하게 되어 재차 발파작업을 수행하거나, 굴착이 덜 된 부분을 별도의 공구를 이용하여 깍아내야 하는 번거로운 작업을 수행해야 한다. 이러한 번거로움을 방지하기 위해서, 종래의 심발발파 공법은 일반적으로 터널 주변에 필요치보다 약간 과도한 폭발력을 가하며, 소정의 굴착단면 확보를 위해서 외곽 장약공을 굴착예정선보다 약간 외곽으로 천공하여 터널의 발파단면이 굴착예정선보다 더 깊게 형성된다. 이와 같이 굴착예정선보다 깊게 굴착된 부분을 여굴이라 하며, 종래 기술에는 필연적으로 주변부에 일정 두께의 여굴을 형성하게 되는 것이다. 이러한 여굴은 이후 실제 터널에서는 필요치 않은 부분이므로 이후 콘크리트, 숏크리트 등으로 다시 포장하여 여굴 부분을 채우는 공정이 필요하게 된다.

제어발파는 지하공동굴착이나 암반사면굴착에 원활한 벽면을 형성하기 위하여 외곽 장약공 주변에 미치는 파괴력을 제어함으로써 특정 방향에만 파괴효과를 주는 방법이다.

제어발파로서 널리 사용되는 공법은 스무스 블러스팅(Smooth Blasting)인데, 스무스 블러스팅은 계획굴착면을 따라 소정 개수의 외곽 장약공을 천공하고 폭약을 낮은 밀도로 장약한 후 폭발시켜 원활한 굴착면을 형성하는 방법이다. 이때, 여굴 생성을 최소화하기 위하여 수평놋치를 사용하기도 하는데, 수평놋치는 장약의 폭발력을 가로방향이 상대적으로 긴 타원형으로 미치게 함으로써, 생성되는 여굴의 폭을 줄이게 된다.

이러한 종래의 심발발파 및 제어발파를 위한 장약공 구조의 한 예가 도 1에 도시되어 있으며, 장약공의 천공 방향의 예가 도 2a 및 2b에 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 종래의 터널 굴착방법에 의한 장약공 형성구조는, 완성된 터널의 외주면에 해당하는 계획굴착면(10) 내에 소정 간격의 장약공을 다수개 설치한다. 이때, 장약공은 계획굴착면(10)과 떨어진 위치, 즉 터널의 내부에 형성되는내부 장약공(12)과, 계획굴착면(10)에 인접하거나 동일한 위치에 형성되는 외곽 장약공(14)으로 구성된다.

내부 장약공(12)은 일반적으로 터널의 중심으로 갈수록 내측으로 경사진 각도로 천공되며, 터널의 중심부에는 상대적으로 큰 직경을 갖는 무장약공(13)이 형성되어, 내부 장약공(12)에 장전된 폭약을 발파할 때 폭발력이 터널의 중심을 향하도록 구성되어 있다. 무장약공(13)은 폭약이 장전되지 않는 구멍으로서, 주변의 장약공에서 폭약이 폭발할 때 주변의 암반이 중심으로 함몰되도록 유도하는 역할을 한다. 이 무장약공(13)은 장약공의 천공방향을 도시하는 도 2a 및 2b에는 설명의 편의를 위하여 도시하지 않았다.

반면, 외곽 장약공(14)은 도 2a와 같이 계획굴착면(10)과 일치하도록 형성될 수 있다. 그러나, 이 경우 외곽 장약공(14)의 입구 부분이 계획굴착면(10)에 형성되므로 장약공을 천공하는 장비를 사용하는 것이 매우 어렵게 되어, 계획된 터널 단면을 확보할 수 없게 된다.

따라서, 일반적으로 공사 현장에서는, 도 2b와 같이 외곽 장약공(14')을 계획굴착면(10)의 내측에서 바깥쪽으로 약간 벗어나도록 형성하는 방법이 주로 사용된다.

도 2b와 같이 외곽 장약공(14')을 계획굴착면(10)의 내측에서 외측으로 경사지도록 형성할 때, 경사 각도는 계획굴착면(10)을 기준으로 대략 4도 내지 7도가 된다. 또한, 일반적으로 현장에서 장약공의 깊이가 1.0~5.0m임을 감안할 때, 경사진 외곽 장약공(14')의 수평 편차는 대략 폭약 발파를 고려할 때 대략 10~50cm가되는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 종래의 터널 굴착방법을 사용할 경우 굴착 길이에 따라서 대략 10~50cm 정도의 두께를 갖는 여굴(18)을 지속적으로 생성하게 되는 것이다.

또한, 외곽 장약공(14')이 계획굴착면(10)을 벗어나지 않도록 설계할 경우, 터널의 폭이 점차 좁아지게 되므로, 장약공의 깊이가 3m 이상일 때 여굴(18)의 최소 폭은 30cm 이상인 것으로 인식되고 있다. 또한, 정부 표준에 의한 1.5m 장약공을 이용할 경우, 여굴(18)은 최소 15cm 이상이 폭을 갖는 것으로 인식되고 있다.

따라서, 종래 기술에 의한 터널 굴착방법은 불필요하게 과도한 여굴을 생성하기 때문에 사용되는 폭약의 양이 많고 작업 시간 및 인력을 낭비하게 되어, 공사기간 및 비용에서 많은 손실이 발생하게 되며, 터널의 안정성에도 많은 문제를 유발할 수 있다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 터널 굴착시 여굴 생성을 최소화하여 공사비 및 공사기간을 획기적으로 줄일 수 있는 여굴 생성 방지를 위한 터널 굴착방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래의 터널 굴착방법에 따른 장약공 배열을 도시하는 도면.

도 2는 도 1에 도시된 장약공의 천공방향을 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명의 터널 굴착방법에 따른 장약공 배열을 도시하는 도면.

도 4는 도 3에 도시된 장약공의 천공방향을 나타내는 도면.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10..계획굴착면 12..내부 장약공 20..외곽 장약공

22..제1 외곽 장약공 24..제2 외곽 장약공

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 여굴 생성 방지를 위한 터널 굴착방법은 터널의 중심부에 소정 개수의 내부 장약공을 천공하는 단계, 터널의 주변부에 계획굴착면을 향하도록 경사진 다수의 외곽 장약공을 천공하는 단계, 내부 장약공 및 외곽 장약공에 폭약을 장전하여 발파하는 단계를 포함한다.

이때, 다수의 외곽 장약공은 천공 입구가 계획굴착면에 가까울수록 계획굴착면과의 경사각도가 작아지는 것이 바람직하며, 또한 외곽 장약공 중 천공 입구가 계획굴착면에서 가장 먼 제1 외곽 장약공은 내부 장약공과 동일한 수직 삽입깊이를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 다수의 외곽 장약공 모두를 계획굴착면까지만 천공할 수도 있으며, 외곽 장약공 중 계획굴착면에 가장 인접한 제2 외곽 장약공만을 계획굴착면보다 소정 깊이만큼 더 천공할 수도 있다.

또한, 각각의 외곽 장약공에 장전되는 폭약은 폭약의 장전위치와 계획굴착면 사이의 거리에 따라서 각각 다른 양만큼 장전되는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명에 따른 터널 굴착방법에 사용되는 장약공의 천공 위치의 한 예를 도시하며, 도 4a 및 4b는 이러한 장약공의 천공 방향을 도시한다. 물론, 이러한 천공위치 및 천공 방향은 V-cut 공정에 따른 것으로서, 이러한 형태는 발파 공법에 따라서 다양하게 변형될 수 있으며, 본 발명은 특정한 발파공법으로 한정되지는 않는다.

도면에서, 종래와 동일한 부분에 대해서는 종래기술을 설명하는 도면과 동일한 참조번호를 부여하였다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 터널 굴착방법에서는, 완성된 터널의 외주면에 해당하는 계획굴착면(10) 내에 소정 간격의 장약공을 다수개 설치한다. 이때, 장약공은 계획굴착면(10)과 떨어진 위치, 즉 터널의 내부에 형성되는 내부 장약공(12)과, 계획굴착면(10)에 인접한 위치에 형성되는 다수의 외곽 장약공(20)으로 구성된다.

내부 장약공(12)은 일반적으로 터널의 중심으로 갈수록 내측으로 경사진 각도로 천공된다. 그러나, 내부 장약공(12)의 개수, 천공 위치 및 각도는 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명에서는 어느 특정한 예로 한정하지 않는다. 특히, 번컷(Burn-cut) 공법의 경우, 내부 장약공은 모두 평행하게 형성된다. 다만, 내부 장약공(12)이 내측으로 경사지게 형성될 경우, 이 구조는 내부 장약공(12)에 장전된 폭약을 발파할 때 폭발력이 터널의 중심을 향하게 하여 폭발의 집중력을 높이고, 터널 외부에 미치는 폭발의 여파를 줄이는 역할을 한다.

본 발명의 외곽 장약공(20)은 종래 기술과는 달리 다수의 장약공으로 이루어지며, 계획굴착면(10)을 향해서 소정 각도만큼 기울어진다. 이때, 다수의 외곽 장약공(20)은 장약공 입구가 계획굴착면(10)에 가까울수록 계획굴착면(10)과의 경사각도가 작아지고, 천공장을 짧게 구성하여 천공장에 따라 폭약을 적절한 양으로 장약하는 것이 바람직하다. 즉, 도 4a에 도시된 바와 같이, 장약공의 입구가 계획굴착면(10)과 가장 먼 제1 외곽 장약공(22)은 계획굴착면(10)에 대해서 가장 비스듬한 경사가 되며, 장약공의 입구가 계획굴착면(10)과 가장 가까운 제2 외곽 장약공(24)은 계획굴착면(10)과 동일한 각도로 구성될 수 있다.

이때, 제2 외곽 장약공(24)은 이론상으로 계획굴착면(10)과 동일한 각도로 구성되지만, 실제 적용시에는 굴착장비의 접근성이 용이하도록 계획굴착면(10)에 약간 비스듬한 각도로 천공될 수 있으며, 이는 도 4b에 잘 도시되어 있다. 이 경우, 제2 외곽 장약공(24)은 도 2b에 도시된 종래 기술의 외곽 장약공과 같은 각도를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 도면에서와 같이 외곽 장약공으로서 세 개의 장약공이 형성된 경우, 제1 외곽 장약공(22)은 가장 인접한 내부 장약공과 거의 같은 위치에 입구가 형성되어, 계획굴착면(10)과 거의 일치하는 위치까지 천공된다. 이때, 제1 외곽 장약공(22)의 수직 삽입깊이를 내부 장약공과 동일하게 하여, 장전된 화약을 발파했을 때 터널이 전체적으로 동일한 수직 깊이까지 굴착되도록 하는 것이 바람직하다.

제2 외곽 장약공(24)은 입구가 계획굴착면(10)과 매우 인접한 위치에 형성되고, 제1 외곽 장약공(22)보다 계획굴착면(10)에 더 평행한 각도로 경사지도록 연장되어, 천공 단부가 계획굴착면(10)과 거의 일치하게 된다. 이때, 제2 외곽 장약공(24)의 삽입 깊이는 제1 외곽 장약공(22)에 비해 매우 작은 수준이 된다.

제1 외곽 장약공(22)과 제2 외곽 장약공(24) 사이에 있는 다른 외곽장약공(23)은 제1 및 제2 외곽 장약공(22, 24)의 중간 정도의 경사를 가지며, 마찬가지로 천공 단부가 계획굴착면(10)에 거의 일치하도록 형성된다. 제1 및 제2 외곽 장약공(22, 24) 사이에 천공되는 외곽 장약공(23)은 도면에서와 같이 하나만 형성할 수도 있으나, 작업환경 및 발파조건 등을 고려하여 그 이상의 개수로 구성될 수도 있다.

예컨대, 천공 깊이가 3m이고, 제1 외곽 장약공(22)과 계획굴착면(10) 사이의 거리가 50cm라고 가정할 때, 제1 외곽 장약공(22)과 제2 외곽 장약공(24)은 계획굴착면(10)에 대해서 대략 4~7도의 경사를 가지도록 천공할 수 있다. 이때, 제1 외곽 장약공(22)과 제2 외곽 장약공(24)은 동일한 각도를 가질 수도 있으며, 또는 제2 외곽 장약공(24)이 제1 외곽 장약공(22)보다 계획굴착면(10)에 더 평행하도록 구성될 수도 있다. 또한, 제1 및 제2 외곽 장약공(22, 24) 사이에 배치되는 다른 외곽 장약공(23)은 제1 및 제2 외곽 장약공(22, 24)의 경사를 고려하여 적절하게 설정된다.

이러한 상태에서 외곽 장약공(20)에 폭약을 장전하여 발파하게 되면, 계획굴착면(10)까지 비스듬하게 연장된 다수의 외곽 장약공(20)이 동시에 또는 순차적으로 폭발하면서 천공선이 계획굴착면(10)을 벗어나지 않기 때문에, 폭발 이후에 형성되는 여굴의 폭이 상당히 줄어들게 된다. 뿐만 아니라, 각각의 외곽 장약공(20)에 사용되는 폭약의 양이 천공장에 따라서 최소화되므로, 굴착면 주변의 암반 균열을 최소화하여 터널의 안정성을 유지할 수 있다.

특히, 각각의 외곽 장약공에 장전되는 폭약의 양을 폭약의 장전 위치와 계획굴착면 사이의 거리에 따라서 적절하게 조절할 경우, 폭발 후 형성되는 여굴의 폭은 훨씬 더 줄어들게 된다.

또한 변형예로서, 제2 외곽 장약공(24)이 계획굴착면(10)보다 소정 깊이만큼 더 천공하는 것도 가능하다. 실제로, 폭약은 입구에 지나치게 가까운 위치에 장전될 경우 발파 효과가 적고 또한 안전사고를 유발할 수 있기 때문에, 일반적으로 장약공의 매우 깊은 위치에 장전된다. 따라서, 장약공의 입구 쪽으로는 상대적으로 작은 폭발력이 가해지므로 충분한 굴착이 이루어지지 않을 수 있다. 그러나, 제2 외곽 장약공(24)을 계획굴착면(10)보다 소정 깊이만큼 더 천공하고, 제2 외곽 장약공(24)에서 폭약을 발파할 때 제1 외곽 장약공(22)부터 바깥쪽으로 순차적으로 발파하게 되면, 각각의 외곽 장약공이 부담하는 굴착면적이 작아지므로, 장약공의 입구를 보다 효과적으로 굴착할 수 있게 된다.

이와 같은 본 발명에 따른 터널 굴착방법을 수행하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 작업자는 터널의 중심부에 소정 개수의 내부 장약공(12)을 일정한 배열에 따라서 천공한다. 이때, 내부 장약공(12)을 천공하는 방법은 다양한 형태로 적용될 수 있으며, 장약공 사이의 간격을 일정하게 유지하고 또한 공법 종류에 따라서는 장약공이 중심에 가까울수록 중심을 향해 더 기울어지게 천공하는 것이 바람직하다. 이때, 터널의 정중앙에 폭약을 장전하지 않는 무장약공을 천공할 수도 있으며, 그 외의 발파공법에 따른 변형된 방법도 사용할 수 있다.

그 후, 작업자는 내부 장약공(12) 주변에 다수의 외곽 장약공(20)을 천공한다. 이때, 외곽 장약공(20)은 계획굴착면(10)을 향해서 소정 각도로 경사를 이루며, 외곽 장약공의 천공 입구가 계획굴착면(10)에 가까울수록 계획굴착면(10)에 대한 경사각도가 작아지는 것이 바람직하다.

다음으로, 작업자는 내부 장약공(12)과 외곽 장약공(14)에 폭약을 장전한 후 발파를 수행한다. 이때, 외곽 장약공(14)에는 계획굴착면(10)과 가까울수록 천공장에 따라 적은 양의 폭약을 장전하여, 여굴의 발생을 최소화하는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

이와 같은 본 발명에 따른 터널 굴착방법은 계획굴착면을 향해 경사진 다수의 외곽 장약공에 폭약을 장전하여 발파함으로써, 종래 기술에 비해 여굴 폭을 획기적으로 줄일 수 있다.

또한, 다수의 외곽 장약공이 계획굴착면에 대해 집중하는 형상으로 굴착되므로, 계획굴착면에 대해 천공장에 따라 폭약 사용량을 최소화하면서 폭발력을 응집할 수 있으므로, 터널 굴착이 보다 효과적으로 이루어진다.

또한, 외부 장약공에 장전되는 폭약을 적절히 조절함으로써, 발파시 계획굴착면의 외부로 전달되는 진동을 줄일 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 터널 굴착방법은 굴착 후 생성되는 여굴의 폭이 매우적기 때문에, 여굴 포장에 필요한 콘크리트 및 숏크리트의 양을 줄일 수 있어, 공사비 및 공사기간을 크게 줄일 수 있으며 필요한 인력을 줄일 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 터널 굴착방법은 터널굴착 외에 수직구, 개착구간, 기초터파기 등 발파를 이용한 다양한 굴착공정에도 사용될 수 있다.

Claims (6)

1. (a) 터널의 중심부에 소정 개수의 내부 장약공을 천공하는 단계;

   (b) 상기 터널의 주변부에 계획굴착면을 향하도록 경사진 다수의 외곽 장약공을 천공하는 단계;

   (c) 상기 내부 장약공 및 상기 외곽 장약공에 폭약을 장전하여 발파하는 단계를 포함하는 여굴 생성 방지를 위한 터널 굴착방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 다수의 외곽 장약공은 천공 입구가 상기 계획굴착면에 가까울수록 상기 계획굴착면과의 경사각도가 작아지는 것을 특징으로 하는 여굴 생성 방지를 위한 터널 굴착방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 외곽 장약공 중 천공 입구가 상기 계획굴착면에서 가장 먼 제1 외곽 장약공은 상기 내부 장약공과 동일한 수직 삽입깊이를 가지는 것을 특징으로 하는 여굴 생성 방지를 위한 터널 굴착방법.
4. 제 1항 내지 제 3항에 있어서,

   상기 다수의 외곽 장약공은 상기 계획굴착면까지만 천공되는 것을 특징으로하는 여굴 생성 방지를 위한 터널 굴착방법.
5. 제 1항 내지 제 3항에 있어서,

   상기 외곽 장약공 중 상기 계획굴착면에 가장 인접한 제2 외곽 장약공은 상기 계획굴착면보다 소정 깊이만큼 더 천공되는 것을 특징으로 하는 여굴 생성 방지를 위한 터널 굴착방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 (c)단계에서 상기 각각의 외곽 장약공에 장전되는 폭약은 상기 폭약의 장전위치와 상기 계획굴착면 사이의 거리에 따라서 각각 다른 양만큼 장전되는 것을 특징으로 하는 여굴 생성 방지를 위한 터널 굴착방법.